冻土力学性质的影响因素分析及新方法的应用

宋明哲++程玉龙

摘 要：中国的冻土区（多年冻土和季节性冻土）的分布及其广泛，介绍了对冻土研究的必要性。通过对不同的控制因素（主要有温度、含水率、含盐量、围压、冻融循环作用、不同类土等）对冻土的物理力学性质进行分析，简单介绍新方法在冻土研究中的应用，最后给出未来冻土研究的见解。

关键词：控制因素；冻土；力学性质

1 概述

我国占据世界冻土面积的23%，在东北大小兴安岭地区、西部青藏高原地区和天山地区分布着丰富的冻土资源。随着经济基础建设和国防事业的推进，我国对东北和西北等边疆地区开发的加剧，我们面临着冻土给工程建设带来的巨大挑战，因此，在這些地质条件严酷的冻土地区施工开发时，必须冻土的作用机理、病害问题和保护措施进行充分的认识，并确保解决问题措施的可行性与可靠性，进而保证建设的建筑物或结构的安全性和稳定性。

众所周知，冻土体的结构非凡复杂，包含不同粒径的土颗粒，水分，气体成分和冻结的冰晶体，这种复杂的构成成分也导致了冻土各方面的差异性与不确定性，在宏观上主要表现为物理力学性的差异。许多试验研究表明，土颗粒的级配，含水率，土中含盐分多少，含冰量（及未冻水含量），冻融作用，加载时间，添加剂等都对冻土的物理力学性质产生影响。本文要总结前人通过对不同影响因素条件下对冻土的物理性质和力学性质进行总结与分析，并为未来的发展趋势提出一点见解。

2 不同影响因素对冻土的物理力学性质的影响分析

2.1 温度和含水率对冻土物理力学性质的影响

在一定条件下，温度和含水率对冻土的物理力学性质的影响主要是温度控制的，含水率对冻土力学性质的影响相对起辅助作用。非冻土中，其他控制条件一定时土的强度指标随着含水率的增加先增加后减小，在温度的作用下，随着温度的降低，土的强度指标表现为一定负温范围内随着含水率的增加冻土的强度先增加后逐渐接近于某水平直线[1，2]。因此，冻土的强度指标主要取决于温度，又受含水率的钳制。

2.2 含盐量对冻土力学性质的影响

含盐量对冻土的力学性质的影响主要是通过可溶性无机盐离子对水分子的作用力产生的。试验表明一定条件下冻土的静力学强度随含盐量的增加而先增加后减小[3]，冻土的动力学强度围压一定的前提下随温度和含盐量的增高塑性破坏越明显[4]。大量研究表明，含盐量对冻土的强度的影响是一致的，其他制约因素不变情况下随含盐量的增加而降低。但是盐分对冻土的强度作用机理还缺乏研究，这一方面还值得我们进一步研究，这样可以综合分析不同盐分对冻土强度的影响。

2.3 围压的影响

围压作用对冻土强度的发展变化主要是围压对冻结水和微裂隙的影响[5]。围压的存在为单元土体的侧向面提供了约束作用，由此推可知，侧向作用力的存在可以是被动约束力也可以以主动作用力的形式存在，这取决于单元体的铅直作用力与侧向作用力形成的力学体系。低围压条件下，试验试件主要表现为被动约束，高围压表现为主动作用。因此，大量的研究表明，在单一围压情况下，处于低围压情况时，冻土的强度随围压的增加而增大[5，6]，在高围压条件下，出现压融现象使冻土的强度开始降低[7]，存在围压转折点。不同土类的围压转折点也不尽相同。

2.4 冻融循环作用

我国的季冻区分布及其广泛，对土体冻融循环作用的研究是迫在眉睫。含水率极低时，冻融循环作用几乎对土体的强度不会产生较明显的影响，随着含水率的增加，土中水分在温度变化的作用开始迁移和冻胀，使得原有土体的结构排列发生明显的改变，且各组分（如颗粒粒径、化学成分等）也随之增加或减少，含水率越高，经历冻融循环的次数越多，结构变化也越复杂。因此土体在经历冻融循环后土体的内部宏观结构和组分含量发生了明显的变化是引起冻土强度性质的关键问题。

2.5 不同类土

在自然状态下，不同类的土体在相同的外界条件下表现出的物理力学性质也千差万别。不同类的土主要包括碎石土、砂土、粉土、粘性土、淤泥质土、膨胀土、湿陷性黄土、改良土、污染土。根据大量的试验和实践，天然土的力学性质主要是由天然固结度、含水率、密实度、颗粒级配和冻结温度决定的，改良土主要取决于添加的改良剂性质，添加剂的存在可以改变土体间的结构。而在冻土中不同类的土体的力学性质几乎也依赖于天然土力学性质的决定条件，但对温度的敏感性更大。

3 新方法和理论在冻土物理力学性质研究的应用

新方法和理论是区别于传统冻土力学研究的方法，结合现代新的数学理论、信息和工业技术，如概率统计法、模糊数学法、数值模拟、无损探测等，对冻土的物理力学性质的研究更加趋于精细化和微观化，确定冻土中各组分间的相互作用关系和对冻土性质影响的程度的关系。国内学者已利用概率统计方法对不同因素的交互作用下的冻土强度进行了研究[8]。并将概率与数理统计理论应用到高温冻土的长期强度和蠕变的计算，得到冻土的长期强度和蠕变方程的参数的描述方程[9]。还有学者应用灰色关联理论分析了不同因素对冻土强度的影响，最后得出温度与冻土的强度的关联度最大[10]。王大雁等[11-12]利用UVM-2型声速测定仪对不同土类进行研究，建立超声波速与温度和未冻水含量的关系式，还可以根据纵横两波波速的比值来判定土的类型。相对传统实验来说，利用超声波来判定土层比较先进，比较快捷的，减少了人的操作量，对土层也是无损的，这种方法对将来的地质勘察具有很大的发展潜力。土的特性（各向异性等）也不断促使新的数学理论和无损探测方法的发展。

4 结束语

（1）大多学者都认为在其他因素不变的情况下随温度的降低冻土的强度升高，这是普遍的看法。其他影响因素的对冻土的强度几乎都依赖于温度的变化。但基于微观理论下，各控制因素的作用机理还尚待进一步考证。

（2）新的数学理论及新的试验方法在冻土研究中的应用，加速了对不均质、各向异性土的物理力学性质的研究。建立不同土类的冻土数据库，为以后研究提供参考，避免重复性的工作。

参考文献

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[9]吴晓光.概率统计在高温冻土力学性质研究中的应用[J].甘肃水利水电技术，2013，49（3）：1-3.

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[11]王大雁，朱元林，马巍，等.冻土超声波波速与冻土物理力学性质试验研究[J].岩石力学与工程学报，2003，22（11）：1837-1840.

[12]Da-yan Wang，Yuanlin Zhu， Wei Ma ，Yonghong Niu.Application of ultrasonic technology for physical-mechanical properties of frozen soils[J].Cold Regions And Technology ，2006，44：12-19.

作者简介：宋明哲（1990-），男，在读硕士。